数据中心的供配电系统可用性、经济性、可维护性等角度出发,探讨数据中心领域的供配电系统架构方案,并以国内某大型数据中心的实际应用案例为基础,对数据中心变配电系统、240V直流与市电直供系统结构、2NUPS系统机构、模块化UPS电源应用、数据中心制冷系统供电系统结构等,进行详细的探讨和分析。
随着信息技术、互联网技术的迅速发展,信息系统的市场应用越来越广泛,信息和数据量呈几何级增长,数据中心的需求日益增加,对数据中心的要求不断提高。众多行业也都在建设各种不同用途、规模、等级的数据中心,数据中心在政府机构以及电信、银行、证券、保险、互联网等行业中不断地提高自己的驱动力。数据中心作为一种物理载体在企业发展和运营中的作用越来越突出。
数据中心供配电系统作为数据中心基础设施最重要组成部分,已成为数据中心等级判定的主要参考标准。数据中心供配电系统架构,主要包括市电引入(10kV、110kV引入等)、高压变配电系统、后备柴油发电机系统(10kV、400V发电机组等)、市电/备用电源自动转换系统(中压切换、低压切换等)、低压配电系统(低压配电、楼层配电单元等)、不间断电源系统(UPS、240V、48V系统等)、列头配电系统、机架配电系统,以及电气照明、防雷及接地系统等。
一、数据中心供配电架构的影响因素
数据中心供配电架构及供电保障等级选择,主要考虑以下几个方面:
(1)数据中心供配电架构成本与安全效益平衡
数据中心从物理属性看,是IT设备的载体;从商业属性看,是为其服务的对象,即数据中心为各类用户的设备或信息提供保障服务。数据中心供配电系统架构选择,主要考虑用户设备类型、相关设备保障等级要求、相关标准及规范要求、绿色数据中心PUE指标要求、节能减排要求、数据中心选址区域自然条件特点、建设与运营成本的平衡等多种因素。
以通信行业数据中心为例,数据中心主要有自有数据中心和商用数据中心两大类。针对通信类,主要设备有传输类设备(国际传输干线、省际传输干线)、数据类设备(存储系统、云平台)、支撑类设备(计费系统、信息系统)等,相关设备供配电系统结构,主要考虑相关国家对通信系统建设及运维标准要求;商用数据中心主要包括政府、银行、企业等用户设备,其数据中心供配电系统及供电保障等级主要根据客户具体要求、客户设备规模、客户设备的租赁形式等来总体确定。
(2)数据中心供配电架构规划与决策
在数据中心供配电系统实际实施阶段,需要制定合理规划决策,评估需求与风险,进行不同方案的比较,并考虑满足未来发展的需求。
数据中心主流的各类供配电建设标准及规范,以及用户对供配电结构的要求,主要是对供配电保障提出要求。针对保障要求,从实施角度出发,能够提出多种不同的供配电结构、系统架构的总体规划与决策,对后期供配电可靠性、可用性有决定性的影响。在规划与决策阶段,一方面要针对不同系统结构的特征、投资总额、运营成本、系统优缺点等做充分的分析论证,另一方面也要考虑供配电系统逻辑关系的复杂度、对运维的要求、系统可扩展性等因素。
(3)数据中心供配电架构建设与运维
数据中心供配电架构应该同数据中心全生命周期一样,从概念、系统规划、决策、工程建设、交付运营等方面,是一个动态的、与时俱进的过程。现在行业有一种认识,认为供配电系统可靠性从供配电系统图上,计算结果越优,就越能提高可靠性。实际情况并非如此,而是数据中心架构的可实施性、可维护性等对设备供电连续性保障有很大影响。
供配电系统的实现与落地,必须要经过建设与施工,因此供配电系统带有较为明显的工程属性;供配电系统可靠性最终是在投入运营后,集中体现在系统运维阶段。供配电架构的设计与选择,一方面必须考虑工程施工过程的可实施性,如电缆布放距离、多层叠放、交****处理、各类油电水气管路隔离措施、隐蔽工程处理等,另一方面还要考虑运维可行性,如电气设备物理位置与电气逻辑关系匹配、巡检路由规划、应急操作接口预留设置等。
二、数据中心供配电系统的典型结构
目前,数据中心行业有比较全面的可供参考的相关技术规范,政府、行业、企业都根据各自领域数据中心的特点,发布了相关的规范、标准或指导意见。目前,数据中心主要参考的规范有工程建设国家标准《GB50174-2008电子信息系统机房设计规范》以及美国国家标准学会(ANSI)2005年批准颁布的《TIA-942数据中心电信基础设施标准》。
前者是我国针对于数据中心建设设计的主要标准规范,同时,为适应电子信息技术发展,新的国家标准正在编制;后者是目前国际数据中心参考的主要标准,该标准包含的条款也是随着建筑技术和电信技术的进步在不断修改和更新。
从相关标准的应用范围看,国际上参考TIA-942将数据中心等级从低到高分为Tier I、Tier II、Tier III、Tier IV等四个级别,在国内参考GB50174将数据中心等级从低到高分为C、B和A三个等级,为了达到不同的等级,供电系统中采用不同的供配电方式。根据相关条文,不同标准的供配电系统结构特点如表1所示。
根据相关国际国内标准,规定了不同数据中心等级下,对应供电系统的原则及方式的演变,特定等级的系统,只规定了应满足的最低要求。
在规划建设阶段,在不同条件下,设计时选用系统结构需考虑总体投资规模、保障要求、节能指标、运维管理目标等多种因素综合分析,并在相应等级标准原则下进行优化设计。
目前,数据中心行业主要有以下三种典型供配电系统架构:基本型、可维护型、故障容错型等。三种典型数据中心供配电结构的特点如下:
(1)基本型供配电结构供电结构简单,投资少;
单故障节点多,可用性差;
供电系统器件故障、操作故障都会引起数据中心运行中断;
预防性检修、计划性检修需要系统中断运行。
(2)可维护型供配电结构
可用性高;
系统保障N 1的冗余;
运行期间可同时进行维护;
数据中心中常用的供电结构;
正常维修、单路故障出现时,不影响系统运行。
(3)故障容错性供配电结构可用性高;
基础设施对空间、投资,要求较高;
多条冗余路径,无单节点故障;
基础设施、供电路由全程双路由;
任何故障发生,不影响负载运行。
以上三种供电结构如图1所示。
上述三种典型供配电结构及特点,主要是从系统市电引入到所有末端设备供电的供电逻辑特点进行总体阐述,并不表示某种结构的优劣性。如对于保障等级要求不高的IT设备,基本型供配电结构完全满足供电保障需求,其系统结构在投资成本、电力设备空间、节能效果等方面,都明显优于其他两种结构;在保障等级较高的数据中心,也存在较低保障等级IT设备用电情况。
数据中心供配电系统架构的选择,应做整体考虑,根据IT设备供电保障等级和各类不同保障等级的IT设备分布情况,针对性的选择合适的、匹配的结构,才是数据中心供配电系统架构最终决策的关键点。
三、数据中心供配电案例
某数据中心包括110kV变电站一座、柴油发电机房一座、数据中心机楼四栋。数据中心总供配电架构有以下几个部分:110kV配电系统、10kV配电系统、10kV发电机并机供配电系统、数据中心机房电源系统等。产业园数据中心基础设施分布示意图如图2所示。
该数据中心供配电架构的总体特点:深入结合基础建筑设施布局,总体规划,分期投入;
通过供配电结构优化,平衡成本与安全效益的关系;
根据客户需求不同,可提供多种形式的供电保障模式。
产业园数据中心供配电系统结构示意图如图3所示。供配电系统架构如下:
